基于桌面云的高職院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)開發(fā)研究

陸迅　丘剛瑋

【摘 要】本文論述基于桌面云的高職院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)開發(fā)，提出以桌面云技術(shù)為基礎(chǔ)，分析系統(tǒng)管理員、實(shí)驗(yàn)教師、學(xué)生三方的需求，完成系統(tǒng)功能總體模塊設(shè)計(jì)和子功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)及功能的實(shí)現(xiàn)，測試發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有成本低、可靠性高，簡單便捷的優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】桌面云 高職院校 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理 系統(tǒng)開發(fā)

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2018）09C-0184-02

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展是高職院校教學(xué)的重要組成部分，承擔(dān)著學(xué)生專業(yè)技能培養(yǎng)與訓(xùn)練的重任。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理存在不少問題，包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理不順暢、實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求多樣化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備利用率低等，直接影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。桌面云是云計(jì)算具體應(yīng)用的實(shí)踐，具有部署簡單、數(shù)據(jù)集中管理和簡捷安全高效的特點(diǎn)，通過桌面云建設(shè)，可以有效降低設(shè)備采購和建設(shè)的成本，拓展學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間的限制，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的能動(dòng)性，降低運(yùn)維成本，因此，利用先進(jìn)的桌面云改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理工作具有非常重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

一、相關(guān)技術(shù)概述

（一）Python。Python是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝统绦蛟O(shè)計(jì)語言，通過它可以輕松地把其他語言模塊聯(lián)結(jié)一起，生成程序最終界面。我們使用Python Django Web框架將QEMU-KVM、 SPICE、Libvirt等虛擬化組件集成，構(gòu)建高職桌面云平臺(tái)。

（二）QEMU-KVM。KVM是基于內(nèi)核的虛擬機(jī)，負(fù)責(zé)CPU和內(nèi)存的虛擬化，QEMU是一個(gè)成熟的開源虛擬化軟件，用于模擬網(wǎng)卡、硬盤、顯卡等IO設(shè)備。通過QEMU和KVM整合，實(shí)現(xiàn)多個(gè)虛擬機(jī)同時(shí)使用同一個(gè)鏡像，快速實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化。

（三）SPICE。SPICE是一種開源的桌面虛擬化數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，用于服務(wù)器和客戶端（含瘦客戶端）上部署虛擬桌面。SPICE由服務(wù)端、客戶端、QXL設(shè)備、QXL驅(qū)動(dòng)等組件構(gòu)成，SPICE協(xié)議管理上述組件；客戶端為用戶提供桌面環(huán)境，運(yùn)行在用戶終端上；服務(wù)端通過動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式管理程序庫，與KVM虛擬機(jī)交互。

（四）Libvirt。Libvir是一個(gè)開源的管理虛擬化平臺(tái)的API，可以使用網(wǎng)絡(luò)SSH進(jìn)行操作，通過API庫、守護(hù)進(jìn)程（Libvirtd）、命令行程序（virsh）來管理KVM、VMware ESX等虛擬化技術(shù)。

二、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)高職院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，結(jié)合桌面云實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的需要，我們將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)層、服務(wù)層、實(shí)驗(yàn)管理層三層。具體架構(gòu)見圖1所示。

基礎(chǔ)層要是由物理服務(wù)器和存儲(chǔ)集群虛擬化而成，包括虛擬服務(wù)器集群和桌面云客戶端，共同構(gòu)成虛擬機(jī)集群。該層桌面云客戶端可被實(shí)驗(yàn)管理層中“實(shí)驗(yàn)環(huán)境管理”模塊直接管理和配置。

服務(wù)層主要由桌面云虛擬化服務(wù)管理和設(shè)備管理構(gòu)成，提供服務(wù)監(jiān)聽、數(shù)據(jù)訪問、和命令處理等服務(wù)，主要由Libvirt虛擬化管理程序完成對基礎(chǔ)層的管理。

實(shí)驗(yàn)管理層是一個(gè)可視化WEB管理平臺(tái)，提供人機(jī)交互的界面，把用戶信息維護(hù)、角色權(quán)限設(shè)置、實(shí)驗(yàn)申請管理、實(shí)驗(yàn)環(huán)境管理等功能集成起來，通過HTTP協(xié)議以POST方式與服務(wù)層通過通信，實(shí)現(xiàn)對服務(wù)層的管理。

（二）總體設(shè)計(jì)?；谧烂嬖频母呗殞?shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)由角色權(quán)限分配、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和實(shí)驗(yàn)環(huán)境管理三大功能模塊構(gòu)成，具體見圖2所示。系統(tǒng)使用MVC三層設(shè)計(jì)理念，對虛擬機(jī)、服務(wù)器和實(shí)驗(yàn)教學(xué)統(tǒng)籌管理，提供統(tǒng)一的操作界面。

（三）功能模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。具體如下：

1.角色權(quán)限管理。根據(jù)系統(tǒng)管理員、實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師和學(xué)生三種不同角色使用范圍進(jìn)行界定，分別賦予對應(yīng)的權(quán)限。該模塊主要包括用戶導(dǎo)入、角色管理、權(quán)限分配的功能。系統(tǒng)管理將學(xué)院教師工號(hào)初始化到系統(tǒng)中，同時(shí)根據(jù)教務(wù)處提供的授課安排將開課學(xué)生的學(xué)號(hào)導(dǎo)入系統(tǒng)，生成初始密碼后統(tǒng)一由授課教師發(fā)給學(xué)生。系統(tǒng)管理根據(jù)學(xué)號(hào)和教工號(hào)的不同分配可訪問資源的權(quán)限，實(shí)現(xiàn)角色管理。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理。該模塊由實(shí)驗(yàn)申請、課程管理、數(shù)據(jù)管理和檢查管理構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)教師通過教工號(hào)登錄系統(tǒng)，申請實(shí)驗(yàn)環(huán)境，選擇實(shí)驗(yàn)課程、班級、起止日期以及配置虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的軟硬件等，待管理員審批。如果管理員審核通過，系統(tǒng)將在實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展前完成環(huán)境部署；如果審核不通過，返回原因給提示。除此之外，教師還可以通過系統(tǒng)對學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行監(jiān)控，跟蹤和了解實(shí)驗(yàn)過程，比如實(shí)驗(yàn)程序、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以此衡量學(xué)生的平時(shí)技能成績。

3.學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)K。學(xué)生使用學(xué)號(hào)和授課教師提供的初始密碼訪問系統(tǒng)，登錄后可以直接查看教師所布置的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、具體要求；學(xué)生了解任務(wù)后，點(diǎn)擊對應(yīng)的任務(wù)就可以進(jìn)入對應(yīng)的虛擬機(jī)連接桌面云，在云上操作虛擬桌面的實(shí)驗(yàn)軟件，開展課程實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，提交實(shí)驗(yàn)程序、數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并退出虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。此模塊還支持留言板，通過留言與實(shí)驗(yàn)教師進(jìn)行交流。

4.系統(tǒng)管理員管理。主要有實(shí)驗(yàn)請求審核、實(shí)驗(yàn)環(huán)境管理、集群管理等功能。實(shí)驗(yàn)請求審核是指實(shí)驗(yàn)教師提交實(shí)驗(yàn)申請后，管理員根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況對請求予以審核，返回審核結(jié)果，主要依據(jù)有實(shí)驗(yàn)時(shí)間是否有沖突、實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求是否達(dá)到等；實(shí)驗(yàn)環(huán)境管理是指審核通過后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求初始實(shí)驗(yàn)環(huán)境，完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境模板并批量克隆到申請數(shù)量的虛擬機(jī)中，為實(shí)驗(yàn)開展做好準(zhǔn)備；集群管理包括虛擬機(jī)集群管理和服務(wù)器集群管理，桌面云的基礎(chǔ)主要有虛擬機(jī)創(chuàng)建、開關(guān)、銷毀，以及桌面云配置參數(shù)查看、變更和調(diào)整等功能，主要是通過SSH網(wǎng)絡(luò)訪問libvirt守護(hù)進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)集群管理。

（四）系統(tǒng)測試。具體如下：

1.功能測試。主要從用戶角色登錄、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、系統(tǒng)管理員等四個(gè)方面進(jìn)行，經(jīng)過測試，達(dá)到預(yù)期效果。

2.性能測試。模擬學(xué)生實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的編程實(shí)訓(xùn)，見表1所示。并發(fā)數(shù)跟CPU使用率、內(nèi)存使用率成正比。我們從并發(fā)數(shù)為10開始測試，以10為基數(shù)遞增，當(dāng)達(dá)到50時(shí)運(yùn)行還是非常順暢，當(dāng)并發(fā)數(shù)達(dá)到60時(shí)，此時(shí)CPU使用率達(dá)92.8，內(nèi)存占有率為73.1，處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，體驗(yàn)感下降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，服務(wù)器可以支持50個(gè)以下虛擬環(huán)境的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，由于實(shí)際應(yīng)用很少達(dá)到該并發(fā)數(shù)，所以達(dá)到預(yù)期效果。

針對高職院校實(shí)驗(yàn)管理不足而研發(fā)的基于桌面云實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)，具有通過模板化創(chuàng)建虛擬機(jī)來批量生成虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理不順暢、實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求多樣化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備利用率低等問題，降低了實(shí)驗(yàn)成本，調(diào)動(dòng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和提升實(shí)驗(yàn)課程質(zhì)量。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也為桌面云技術(shù)在高職院校其他場景應(yīng)用提供了參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李海華.基于桌面云的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)調(diào)度管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016

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[3]李冠煌.基于桌面云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013

[4]楊飛，朱志祥.基于SPICE協(xié)議的云實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016（1）

【作者簡介】陸 迅（1962— ），男，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系講師，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；丘剛瑋（1985— ），男，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系助教，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（責(zé)編 黎 原）